POMPES À CHALEUR  
Install Magazine 953 – septembre 2018

Les avantages d’une double source de chaleur

Consommation d’énergie plus faible des PAC grâce à une double source de chaleur et à une régulation centrale de la température ambiante

On utilise de plus en plus de pompes à chaleur air-eau dans les maisons unifamiliale éco-énergétiques neuves ou rénovées. En comparaison avec des pompes à chaleur géothermiques, l’investissement est clairement plus faible. Ces appareils peuvent être combinés sans problème à du chauffage basse température. Les chercheurs essaient d’augmenter le rendement de tels systèmes en raccordant d’une part la PAC à une deuxième source de chaleur, et en réduisant d’autre part les besoins calorifiques à l’aide d’une régulation centralisée de la température ambiante et du régime de chauffage.

Plus la différence de température entre la température de la source et la température d’émission est faible, plus les pompes à chaleur fonctionnent efficacement. Dans les logements, on utilise donc la plupart du temps du chauffage par le sol ou des corps de chauffe surdimensionnés afin de maintenir la température de départ aussi basse que possible. On ne peut toutefois le plus souvent pas influencer la température de la source de chaleur. Alors que les PAC géothermiques fonctionnent avec un température de source relativement constante d’environ 10°C, l’offre de chaleur et les besoins thermiques évoluent dans le sens contraire dans le cas d’une PAC air-eau : c’est précisément lorsqu’on a le plus besoin de chaleur, à des températures extérieures très basses donc, que l’offre de chaleur est la plus petite.

Dans l’institut de recherche Fraunhofer ISE, on a étudié comment augmenter l’offre de chaleur en utilisant des sources de chaleur supplémentaires à une température relativement élevée. On a ici pensé à de la chaleur issue d’installations solaires ou du système de ventilation de maisons bien isolées.

L’étude a été effectuée en collaboration étroite avec les collègues de l’E.ON Research Center (ERC) de RWTH Aachen. Ce dernier a étudié la distribution de chaleur à la loupe. Ils ont découvert des possibilités d’optimalisation, plus précisément grâce à de meilleures stratégies de réglage, en vue d’une régulation à la demande de la température ambiante.

L’étude de combinaisons de températures de source et d’émission a été réalisée à l’aide de simulations de calcul et de tests dans le laboratoire. En tant que partenaire industriel, le fabricant Vaillant a coordonné et soutenu l’étude. Le projet fut concentré sur des maisons unifamiliales neuves ou rénovées ayant des besoins thermiques inférieurs à 120 kWh par an. Afin de pouvoir comparer les résultats avec des études antérieures, des calculs de simulation ont été exécutés au moyen d’une habitation de deux étages de 140 m², déjà modélisée par IEA SHC Task 44. On s’est pour ce faire basé sur des besoins calorifiques de 60 kWh/m² par an et une consommation d’eau chaude de 17,7 kWh/m² par an.

De la chaleur issue de deux sources

D’études préalables, il ressort que du point de la technique d’installation, il n’était pas possible d’utiliser l’air vicié de la ventilation comme source de chaleur supplémentaire pour des PAC air-eau compactes. C’est pourquoi l’étude s’est concentrée sur ce concept. Des simulations ont tout d’abord été calculées, à la suite de quoi on a déterminé un évaporateur optimalisé, avant, enfin, d’élaborer un modèle de démonstration.

Un deuxième objectif concernait la PAC air-eau classique avec unité extérieure. Des calculs, il est toutefois ressorti que le rendement supplémentaire ne compenserait pas sur l’investissement. La régulation est en outre ici très complexe. En fonction des conditions de fonctionnement, celle-ci doit en effet déterminer si les capteurs solaires sont utilisés comme source de chaleur pour la pompe à chaleur, et s’ils sont alors directement raccordés au circuit de chauffage. Le concept n’a pas été étudié plus avant pour des raisons économiques. L’investissement plus faible est effectivement un avantage important de la PAC air-eau. Il s’agissait de ne pas perdre cet atout. Les calculs de simulation importants de diverses variantes du système ont également démontré qu’une installation photovoltaïque d’une taille comparable à celle de l’installation solaire thermique était avantageuse sur le plan de l’énergie primaire.

Une double source de chaleur accroît le rendement

Les systèmes de ventilation équilibrée récupèrent la plupart du temps déjà une partie de l’air vicié, soit activement à l’aide d’une petite PAC, soit passivement à l’aide d’un échangeur de chaleur. Le but consista ici à accroître le rendement des systèmes passifs avec un échangeur de chaleur. À partir de là furent étudiées deux variantes du système : l’air vicié peut être ajouté après l’échangeur de chaleur (avec une enthalpie plus petite donc) à l’arrivée d’air de la PAC. Autre possibilité : un mélange direct, à l’aide d’un by-pass de l’échangeur de chaleur. Les tests menés à l’aide du modèle de démonstration conçu à cet effet ont fourni des résultats clairs. Pour un point de fonctionnement donné, le COP du système augmente de 15% lorsqu’on ajoute l’air vicié après l’échangeur de chaleur. Ce COP n’augmente que de 2% en cas de mélange direct.

Préserver les évaporateurs du gel

L’ajout de l’air vicié a un effet direct sur l’évaporateur de la PAC. Cet air est la plupart du temps saturé d’humidité, ce qui peut conduire à une formation importante de glace sur l’évaporateur. Ce qui cause à son tour des pertes de rendement, étant donné qu’on a dès lors besoin de plus de cycles de dégivrage. C’est dans ce but qu’on a développé un évaporateur avec des tubes ronds de 5 mm de diamètre. Cette conception peut servir de base pour des évaporateurs plus compacts pour une puissance frigorifique donnée. Avec une configuration adaptée des lamelles, on peut aussi maîtriser le problème de givrage. La distribution des flux et températures a été étudiée avec et sans ajout de l’air vicié, tant avant qu’après l’évaporateur. Dans le modèle d’évaporateur utilisé initialement, il est apparu que l’air vicié le plus chaud et le plus humide circulait de manière irrégulière à travers l’évaporateur, avec une formation de glace irrégulière en conséquence. Cela a entraîné une résistance à l’air locale plus élevée, de sorte que le flux d’air dévie en direction des sections les moins givrées de la batterie. Cette forme de givrage est non seulement due à l’ajout de l’air vicié, mais aussi à une distribution irrégulière du réfrigérant dans l’évaporateur.

Températures de départ et régulation de la température ambiante

Dans la mesure où la saut de température que la PAC doit réaliser, a un impact direct sur le COP, un chauffage à basse température joue un rôle crucial dans le rendement du système. En adaptant l’émission de chaleur aux besoins, il est possible réaliser de solides économies. On dans ce but besoin de données précises sur les chambres et toutes les autres pièces à occupation variable. Les chercheurs de l’ERC sont revenus sur la manière d’optimaliser la distribution de chaleur. On a pour ce faire centralisé les différents thermostats d’ambiance. Sur base de ces données, on a alors adapté la température de départ. Des simulations simplifiées d’une température de départ adaptative donnent un potentiel d’économie de 7% en énergie primaire. La qualité de la régulation est principalement déterminée par la précision des vannes de radiateur, des moteurs électriques de vanne et des thermostats électroniques. C’est pourquoi on a utilisé dans le test des moteurs et capteurs usuels. Sur base de ceci, on a alors conçu des modèles améliorés. Les composants nouvellement conçus ont été testés sur les bancs d’essai de partenaires du projet, d’ERC et d’ISE.

« hardware-in-the-loop »

Après les études distinctes ainsi que l’optimalisation de la source et de l’émission, les deux aspects ont été regroupés en un système total. Le système fut analysé dans diverses variantes à l’aide de simulations et de la procédure « hardware-in-the-loop ». Ceci a finalement donné lieu à un projet de démonstration. Les concepts de régulation ont été étudiés en interaction avec un réseau de distribution hydraulique réel sur le banc d’essai de RWTH Aachen. Ce dernier permet de tester du matériel comme des corps de chauffe, des vannes thermostatiques et des thermostats d’ambiance dans des conditions dynamiques et contrôlées. C’est ce qu’on appelle le principe « hardware-in-the-loop » , au cours duquel des appareils réels sont combinés avec des simulations par ordinateur. On peut ainsi étudier le comportement de corps de chauffe dans une habitation de 4 chambres à l’aide de processus dynamiques qui interviennent en mode chauffage. Les corps de chauffe ont été montés dans une configuration de test qui imite le réseau de distribution hydraulique d’une habitation. Le modèle de simulation détermine les conditions du banc d’essai, qui forment le contexte des modèles dynamiques.

Résultats des simulations et des mesures

L’inertie du système total est l’obstacle le plus sérieux à un fonctionnement à la demande efficace. Il se passe en effet un certain temps avant qu’un changement ne se produise dans la température de départ de la PAC, via le système de distribution hydraulique, jusqu’aux corps de chauffe. L’effet sur la température ambiante se fait également ressentir avec retard, et il sera aussi enregistré après un certain temps par le thermostat d’ambiance. Ce temps mort rend la régulation plus difficile. Indépendamment du type de régulation, il semble qu’une évaluation centrale des circuits de régulation des pièces individuelles a une influence favorable sur le fonctionnement à la demande.

Des principes de régulation simples donnent de bons résultats, par exemple :

Lorsqu’il n’y a pas de demande de chaleur dans une pièce, le système ne doit pas rester à température. Cela réduit les va-et-vient du générateur de chaleur et diminue les pertes à l’arrêt.

Lorsque la PAC n’est pas active, les moteurs de vannes du système de distribution ne doivent pas fonctionner. Cela allonge la durée de vie des batteries et réduit les nuisances sonores.

De là dérivent des principes de régulation complexes

Si toutes les vannes d’un local déterminé sont fermées, la température de départ peut être abaissée. Le régime de température plus bas accroît le rendement de la pompe à chaleur. Si la PAC n’est pas modulante (et va donc s’allumer/s’éteindre à charge partielle), une régulation on-off de la température ambiante prend tout son sens.

En appliquant notamment ces principes de régulation, on peut réduire la consommation de courant du compresseur et de la PAC de plus de 10%. Le nombre de cycle start-stop de la PAC diminue de moitié, et la consommation de courant pour la distribution de chaleur est réduite de plus de 20%.

Des PAC dans un bâtiment existant

La réussite de la transition énergétique dépend essentiellement de l’assainissement des bâtiments existants. Outre des adaptations structurelles, il s’agit ici aussi du remplacement des systèmes de chauffage inefficaces. Les PAC électriques ne peuvent pas seulement faire baisser la consommation d’énergie primaire des habitations, elles relient également les secteurs électricité et chauffage. Une commande en fonction de la situation sur le réseau électrique permet de reporter la consommation de courant à des moments où la demande est plus faible.

Dans le projet de recherche « WPsmart im Bestand », on a surveillé le rendement de PAC dans des maisons unifamiliales rénovées. On s’est par ailleurs demandé comment on pouvait jouer de manière flexible sur la gestion de la demande. Outre des PAC air-eau et sol-eau monovalents et mono-énergétiques, on a aussi étudié des systèmes hybrides qui utilisent parallèlement une chaudière au gaz ou au mazout. Sous la direction de Fraunhofer ISE, une soixantaine de PAC furent suivies, dont 10 installations spécialement conçues pour répondre aux variations dans le réseau. Au cours de la période de mesure, jusqu’en octobre 2017, on a pu rassembler les données de 15 PAC air-eau et de 12 modèles géothermiques. L’année de construction des habitations variait de 1850 à 2001, avec des niveaux variables de rénovation. Les systèmes d’émission se composaient de planchers chauffants et de radiateurs, le plus souvent en combinaison.

Dans le cas de PAC air-eau, il y a un lien clair entre le régime de températures (température de départ entre 34 et 35°C) et le rendement annuel (entre 2,5 et 4,1). Dans le cas des PAC géothermiques, ce lien est à peine perceptible. Cela n’est toutefois pas dû à l’influence de la source de chaleur. Il est plus probable que de nombreux paramètres influencent le rendement final. Mentionnons ici avant tout l’énergie motrice des systèmes auxiliaires et la consommation du chauffage d’appoint électrique. Il y a par ailleurs beaucoup de différences dans le COP des PAC géothermiques. La fourchette du rendement annuel se situe entre 1,8 et 4,8, pour des températures de départ mesurées dans le circuit de chauffage, comprises entre 32 et 66°C. Le rendement annuel moyen de 3,1 (air-eau) et 3,7 (géothermique) est comparable à ce nous avons déjà appris d’études de terrains préalables menées principalement avec des nouvelles constructions. Dans une prochaine étape, des interventions de rénovation seront analysées, afin de déterminer leur influence sur le fonctionnement de la pompe à chaleur et sur le rendement annuel.

Par Dr. Franz Meyer

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